用于偏瘫患者康复训练的原地步行系统结构设计毕业设计论文(编辑修改稿)

用于偏瘫患者康复训练的原地步行系统结构设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

eie Universit228。 t Berlin, FUB )早已经开展了有关康复训练机器人的研究工作，研制成果有很多，典型作品之一是在 20xx 年研制成功的机械式康复训练器 [912] ( Mechanical Gait Training, MGT )。 此康复训练器最大的特点是，可重复进行训练和矫正患者的步姿，最重要的是可以对受训者的重心进行控制，减少医生的工作。 但是，由于康复机器人的机构中并没引进较为先进的伺服控制系统，所以，康复器只能按机械原理图（如图 ）所设定的轨迹来动作，不能够模拟其他较为复杂的姿态。 因此，该康复器很难满足临床康复对患者不同功能状态的训练要求，很快就被淘汰了。 图 康复训练器原理图 图 踝关节训练机器人 美国的 RUTGERS 大学研制出了 RUTGER 踝部康复训练机器人样机 [13]， (如图）。 台北科技大学研制了下肢移动式机器人 [14]，此机器人通过利用开发的运动控制设计，可实现三种康复训练模式： CPM 持续被动运动模式、 CAM 持续活跃的运动模式和 HM 混合运动模式。 虽然这两种机器人体积较小，安装比较简单，但是不能对患者进行严格的步态康复训练。 驱动人体盆骨 为 更好地帮助 偏瘫 患者 完成行走 康复 ,助行训练机器人骨盆位姿控制机构 大程度上被推广出去。 在加州大学欧文分校，科研人员设计出了 PAM 骨盆辅助机械手，是用一对三自由度气缸作为驱动装置，对人体骨盆进行控制。 该 PAM 有五个自由度，并且，该机器人采用了 BWS 悬挂式重力支撑系统，控制盆骨两端的位置达到预期实验效果的同时，便于被康复者完成最佳的训练效果。 本课题主要研究内容 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 8 对于偏瘫患者，以患者的健肢的步态参数作为患肢康复运动的参考数据是较理想的选择，目前外骨骼下肢步态机器人通常需要与步行台配合使用来完成训练，步行台会对患者的步态产生一定的影响，使患者难以按照自身的意向进行康复训练，所设计的原地步行系统可以代替步行台，应用磁流变 阻尼器提供可控阻力，并具有重力补偿功能，同时能够检测患者健肢运功信息，作为患者运动的参考数据。 主要技术要求： （ 1）髋关节最大运动范围：屈 40176。 ，伸 30176。 （ 2）膝关节最大运动范围：屈 70176。 ，伸 0176。 （ 3）踝关节最大运动范围：屈 30176。 ，伸 20176。 （ 4）各关节最大运动速度： rad/s （ 5）应用步进电机作为执行元件 2 总体方案的选定 初步设计构想 健肢运动检测装置，髋、膝、踝关节各有一个旋转自由度，并在每个关节上安装一个角位移传感器，测量运动参数，并设有大腿小腿固定装置。 四连杆原地步行装 置中，伺服电机与减速器相连，减速器与磁流变阻尼器相连，为机构的运动提供驱动力矩或阻尼力矩，并且脚部支撑始终与地面保持平行。 为了监测关节运动参数机构与原地步行机构间相互作用力，在其间设置了力检测装置，（如图 ）。 图 草图 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 9 工作安排 第 1— 2 周 搜集各种 设计 资料 及论文 文献，分类整理 收集 到的资料文献 ， ，完成文献 的 综述， 并书写 毕业设计 的 前期报告。 第 3— 5 周 设计总体 的设计 方案，使用 Proe 绘制 总体方案示意图。 第 6— 10 周 具体设计，利用 Proe 绘制 整体模型 、 零件模型 ， 并且完成 总装配图 的设计。 第 11— 13 周 利 用 AuToCAD 绘制 二维 零件图， 并且 手绘部分零件图， 最终 完成设计说明书的编写工作 3 偏瘫患者患肢康复训练 机器人 的 结构设计 依偏瘫患者进行步态康复训练时的需要，设计出一种既能支撑患者的体重，又不需要步行台的下肢外骨骼式步态康复训练装置。 该装置能够随时检测出患者健肢的运动参数，并且生成步态模型，患肢以此模型作为运动的参考 [16]。 这次涉及到的偏瘫患者患肢康复训练的机器人主要是健肢侧 [17]。 患者进行康复训练时，健肢侧机构能够检测患者健肢的各关节的步态参数，以此参 数作为患肢运动的参考。 健肢机构原地步行系统能够模拟地面，为运动提供足底反力。 健肢机构 健肢侧机构包括 三部分： 外骨骼式 的 关节运动参数检测装置、 应用 平面四杆结构的原地步行 系统 ， 和 力检测装置 ，（ 如图 ）。 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 10 图 健肢侧机构 外骨骼式关节运动参数检测装置 健肢运动检测装置，（如图 ）具有三个自由度，在腿部的三个关节处各有一个旋转自由度，并在每个关节上安装一个传感器，测量运动参数。 在大腿板和小腿板的相应合适位置设有大腿小腿固定装置，患者站立好后，使用绷带绑紧腿部，装置简单 ，使用方便（如图 ）。 图 三自由度外骨骼式关节运动参数检测装置 图 腿部固定装置 平行四边形 结构的原地步行机构 为了使患者训练时更加舒适，感觉更真实， 偏瘫患者患肢康复训练的康复机器人河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 11 设计了有平行四边形结构的原地步行系统 [18]，（ 如图 ），其运动简图如下面（如图 ）。 四连杆原地步行装置中，步进电机与减速器相连，减速器与磁流变阻尼器相连，为机构的运动提供驱动力矩或阻尼力矩，并且脚部支撑始终与地面保持平行。 在摆动相 时 ， 步进 电机带动四杆机构 随着 下 肢 的运动而运动，（草图可见）。 在支撑相 时 ， （如图 ）， 四杆机构为健肢提供足底反力，有效 的 模拟地面，实现原地步行 训练。 图 原地步行机构 ABCDxyoθ A 1B 1C 1 图 原地步行机构运动简图 图 支撑相运动简图 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 12 力检测装置 力检测装置 [19]可以监测关节运动参数机构与原地步行机构间相互作用力，主要部件有压力传感器、弹 簧、导杆、外框和踝关节轴等。 健肢在运动过程中带动外框动，此时弹簧受压，压力传感器产生信号，依据所采集到的信号进行电机驱动 [20]， (如 图）。 力检测装置中使用了两种直线轴承，保证了导杆前后移动时不会与外框摩擦。 图 力检测装置 人机工程学设计 对于 偏瘫训练康复机器人 康复板 ，其 长度 应该要 符合不同 高度 病人， 要 考虑到不同身高的人与他们的大 、 小腿长度范围内兼容 ， 以便允许下肢康复机器人和患者的下肢匹配。 测量 男 性 女 性 身高 1543 1583 1604 1678 1754 1775 1814 1449 1484 1503 1570 1640 1659 1697 体重 4 4 4 8 5 0 5 9 7 0 7 5 83 3 9 4 2 4 4 5 2 6 3 6 6 7 1 大腿 413 428 436 465 496 505 523 387 402 410 438 467 476 494 小 324 338 344 369 396 403 419 300 313 319 344 370 375 390 河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 13 腿 表 1 人体下肢主要尺寸 根据表 1 的数据，可以得 出 中国成 年人的 下肢 尺寸为：大腿 板 的尺寸为390520mm，小腿 板 的尺寸是 340420mm，为了方便不同身高的患者进行康复训练，大腿板的长度设计成可以调节的，（ 如图 ）， 长度的调节简单方便。 小腿板设计也是如此，此处重复省略介绍。 图 大腿调节板 设计 腿板时要注意 ： 一是 承受载荷能力 ， 腿部连杆载荷承受能力不仅要考虑其自身的重量，患者的下肢运动的重量， 还要考虑 工作中的机器人系统 ；二是 转动惯量 较小 、 质量 较 轻 ， 提 高 系统的反应速度、减少能耗 ；三是 模块化 的 设计 便于安装和加工。 康复 机 器人各关节结构设计 髋关节 偏瘫患者患肢康复训练机器人 的健肢机构，腿是主动地，靠患者自身运动，髋关节的连接件升级成类似于一个轴承座的构件 4，（如图 ），连接件内放置轴承，并固定在大锥齿轮轴上，转动时连接件自行转动不受其他部件的影响。 下图中， 1 为髋关节传感器固定件，因为传感器固定部分需要固定在不转的地方，所以用螺钉把 1固定在 5 上。 2 就是传感器。 3 是联轴器，连接了传感器轴与髋关节转动轴，便于测量运动参数。 髋关节与大腿板的连接件，（ 如图 ） 使用螺钉把轴承端盖固定在河北工业大学 20xx 届本科毕业论文 14 连接件上，其螺纹孔的轴线 与螺纹孔 2 对齐。 连接了大腿板与连接件的螺钉的轴线与螺纹孔 1 对齐。 图 髋关节 图 髋关节连接件 膝关节 膝关节的连接需要连接大腿调节板和小腿连接板，并且要保证膝关节的自由度的实现，（如图 ）。 大腿调节板是用螺栓 1 与膝关节连接板固定在一起，小腿调节板与膝关节连接板的固定也是一样，使用螺栓 2进。